Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

समाधान-प्रसंस्कृत "सिल्वर-विस्मुट-आयोडीन" सीसा-मुक्त फोटोवोल्टिक अवशोषक के लिए त्रिगुट पतली फिल्मों

Published: September 27, 2018 doi: 10.3791/58286
Automatic Translation
1,2, 1, 1
1Convergence Research Center for Solar Energy, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), 2Department of Chemistry and Research Institute for Convergence of Basic Sciences, Hanyang University

Summary

इस के साथ साथ, हम समाधान के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल वर्तमान-प्रसंस्कृत चांदी विस्मुट-आयोडीन (एजी-द्वि-I) त्रिगुट अर्धचालक पतली TiO2पर गढ़े फिल्मों-लेपित पारदर्शी इलेक्ट्रोड और हवा के रूप में उनके संभावित आवेदन-स्थिर और नेतृत्व मुक्त optoelectronic उपकरणों ।

Abstract

विस्मुट आधारित संकर perovskites होनहार तस्वीर के रूप में माना जाता है-पर्यावरण के अनुकूल और हवा स्थिर सौर सेल अनुप्रयोगों के लिए सक्रिय अर्धचालक । हालांकि, गरीब सतह morphologies और अपेक्षाकृत उच्च bandgap ऊर्जा अपनी क्षमता सीमित है । चांदी-विस्मुट-आयोडीन (एजी-द्वि-I) optoelectronic उपकरणों के लिए एक होनहार अर्धचालक है । इसलिए, हम सामग्री समाधान प्रसंस्करण का उपयोग करके एजी-द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्मों के निर्माण का प्रदर्शन । परिणामस्वरूप पतली फिल्मों को नियंत्रित सतह morphologies और ऑप्टिकल bandgaps उनके थर्मल एनीलिंग तापमान के अनुसार प्रदर्शन । इसके अलावा, यह बताया गया है कि एजी-द्वि-i त्रिगुट प्रणालियों के लिए सघन AgBi2मैं7, एजी2बीि5, आदि अग्रदूत रसायनों के अनुपात के अनुसार । समाधान-प्रसंस्कृत AgBi2मैं7 पतली फिल्मों का प्रदर्शन एक घन-चरण क्रिस्टल संरचना, घने, pinhole-२०० से ८०० एनएम के आकार में लेकर अनाज के साथ मुक्त सतह morphologies, और १.८७ eV के एक अप्रत्यक्ष bandgap । परिणामी AgBi2मैं7 पतली फिल्मों अच्छी हवा स्थिरता और ऊर्जा बैंड आरेख, साथ ही सतह morphologies और ऑप्टिकल bandgaps नेतृत्व मुक्त और हवा स्थिर एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं के लिए उपयुक्त दिखा । हाल ही में, ४.३% बिजली रूपांतरण दक्षता के साथ एक सौर सेल एजी द्वि-मैं क्रिस्टल रचनाओं और सौर सेल डिवाइस आर्किटेक्चर के अनुकूलन के द्वारा प्राप्त किया गया था ।

Introduction

समाधान-प्रसंस्कृत अकार्बनिक पतली फिल्म सौर कोशिकाओं को व्यापक रूप से किया गया है कई शोधकर्ताओं द्वारा अध्ययन के लिए सीधे सूरज की रोशनी में बदलने की मांग1,2,3,4,5। सामग्री संश्लेषण और डिवाइस वास्तुकला के विकास के साथ, सीसा halide आधारित perovskites एक शक्ति रूपांतरण क्षमता (PCE) 22%5से अधिक के साथ सबसे अच्छा सौर सेल अवशोषक होने की सूचना दी गई है । हालांकि, वहां विषाक्त नेतृत्व के उपयोग के बारे में चिंता बढ़ रही हैं, साथ ही साथ नेतृत्व की स्थिरता मुद्दों-halide perovskite ही ।

यह हाल ही में बताया गया है कि विस्मुट-संकर perovskites आधारित एक विस्मुट आयोडाइड जटिल इकाई में monovalent cations शामिल द्वारा गठित किया जा सकता है और इन mesoscopic सौर सेल आर्किटेक्चर6में फोटोवोल्टिक अवशोषक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, 7,8. perovskites में लेड को विस्मुट के साथ बदला जा सकता है, जिसमें 6s2 आउटर लोन पेयर है; हालांकि, अभी तक केवल पारंपरिक सीसा halide के तरीके विस्मुट-जटिल क्रिस्टल संरचनाओं के साथ संकर perovskites आधारित के लिए इस्तेमाल किया गया है, तथ्य यह है कि वे अलग ऑक्सीकरण राज्यों और रासायनिक गुण9के बावजूद है । इसके अलावा, इन perovskites खराब सतह morphologies है और पतली फिल्म डिवाइस अनुप्रयोगों के संदर्भ में अपेक्षाकृत मोटी फिल्मों का उत्पादन; इसलिए, वे उच्च बैंड के साथ एक गरीब फोटोवोल्टिक प्रदर्शन-अंतर ऊर्जा (> 2 eV)6,7,8है । इस प्रकार, हम एक नई विधि खोजने की मांग की विस्मुट आधारित पतली फिल्म अर्धचालक, जो पर्यावरण के अनुकूल हैं, हवा स्थिर है, और कम बैंड अंतर ऊर्जा है (< 2 eV), सामग्री डिजाइन और कार्यप्रणाली पर विचार ।

हम समाधान-प्रोसेस्ड एजी-द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्मों, जो AgBi2मैं7 और एजी2बीि5के लिए सघन किया जा सकता है, नेतृत्व मुक्त और हवा स्थिर अर्धचालक10,11के लिए वर्तमान । AgBi2मैं7 संरचना के लिए इस अध्ययन में, एन butylamine एक विलायक के रूप में एक साथ चांदी आयोडाइड (आगि) और विस्मुट आयोडाइड (बीि3) पुरोगामी को भंग करने के लिए प्रयोग किया जाता है । मिश्रण स्पिन डाली है और एक N2-भरा दस्ताने बॉक्स में 30 मिनट के लिए १५० ° c पर annealed; इसके बाद, फिल्मों के कमरे के तापमान को बुझती है । परिणामी तनु फिल्मों के रंग में भूरे-काले होते हैं । इसके अलावा, सतह आकृति विज्ञान और एजी-द्वि-I त्रिगुट प्रणालियों के क्रिस्टल संरचना एनीलिंग तापमान और आगि/बीि3के अग्रदूत अनुपात द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं । परिणामस्वरूप AgBi2मैं7 पतली फिल्मों का प्रदर्शन एक घन चरण क्रिस्टलीय संरचना, घने और चिकनी सतह morphologies के बड़े अनाज के साथ २००-८०० एनएम आकार में, और १.८७ eV के एक ऑप्टिकल बैंड अंतर ७४० एनएम के एक तरंग दैर्ध्य से प्रकाश को अवशोषित करने के लिए शुरू . यह हाल ही में बताया गया है कि क्रिस्टल रचनाओं और उपकरण वास्तुकला, एजी द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के अनुकूलन से ४.३% की एक PCE प्राप्त कर सकते हैं ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. नंगे शीशे की तैयारी, फ्लोरीन-मैगनीज टिन ऑक्साइड (SnO2: F) सब्सट्रेट्स

  1. नंगे-गिलास, फ्लोरीन-मैगनीज टिन ऑक्साइड (FTO) सब्सट्रेट साफ करने के लिए, उन्हें क्रमिक रूप से sonicate 2% ट्राइटन युक्त एक जलीय समाधान में, (DI) पानी, एसीटोन, और isopropyl शराब (आइपीए), 15 मिनट के लिए प्रत्येक.
  2. अवशिष्ट आइपीएस को हटाने के लिए 1 ज के लिए ७० ° c पर हीटिंग ओवन में साफ सब्सट्रेट रखो ।

2. कॉंपैक्ट tio2 परतों की तैयारी (सी-tio2) इलेक्ट्रॉनों ब्लॉक करने के लिए

  1. एक सी की तैयारी के लिए TiO2 अग्रदूत समाधान, टाइटेनियम isopropoxide के ०.७४ मिलीलीटर (TTIP) धीरे निर्जल इथेनॉल के 8 मिलीलीटर (ेतोः) में गिरावट, जबकि जोरदार सरगर्मी, और फिर तेजी से हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल) के समाधान में ०.०६ मिलीलीटर सुई । परिणामस्वरूप समाधान कमरे के तापमान पर रातोंरात हलचल ।
    नोट: एक 20 मिलीलीटर कांच की शीशी, एक ३५-३७% एचसीएल की एकाग्रता, और एक चुंबकीय सरगर्मी का उपयोग करें ।
  2. फ़िल्टर तैयार सी-TiO2 प्रणेता समाधान एक सिरिंज और एक ०.२ µm-ताकना आकार फिल्टर का उपयोग कर, यह साफ FTO सब्सट्रेट पर छोड़, और फिर स्पिन-30 एस के लिए ३,००० rpm पर सब्सट्रेट डाली ।
  3. थर्मल-1 एच के लिए ५०० डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में उन्हें हीटिंग द्वारा सब्सट्रेट और फिर उन्हें कमरे के तापमान को शांत करने के लिए अनुमति देते हैं ।
  4. 30 मिनट के लिए ७० ° c पर एक ०.१२ मीटर टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड (TiCl4) जलीय समाधान में सब्सट्रेट सोख और फिर उंहें अच्छी तरह से धो DI पानी का उपयोग करने के लिए किसी भी अवशिष्ट TiCl4हटाने ।
  5. थर्मल-1 घंटे के लिए ५०० डिग्री सेल्सियस पर सब्सट्रेट और फिर उन्हें सी-TiO2 परत के एक चेहरे के सुधार के लिए कमरे के तापमान को शांत करने के लिए अनुमति देते हैं । जिसके परिणामस्वरूप सी-TiO2-लेपित सब्सट्रेट N2-भर में उपयोग तक की शर्तों की दुकान ।

3. Mesoporous tio2 परतों की तैयारी (एम-TiO2) इलेक्ट्रॉन निष्कर्षण में सुधार करने के लिए

  1. एक एम की तैयारी के लिए-TiO2 प्रणेता समाधान, ५० एनएम के 1 जी जोड़ें-TiO2 nanoparticle पेस्ट (अनुसूचित जाति-HT040) के लिए एक 10 मिलीलीटर कांच की शीशी 2 के ३.५ जी के साथ-propanol और terpineol के 1 जी और फिर सब कुछ हलचल जब तक पेस्ट पूरी तरह से भंग है ।
    नोट: ५० एनएम-TiO2 nanoparticle पेस्ट आकार अत्यधिक चिपचिपा है और ध्यान से एक रंग का उपयोग कर संभाला जाना चाहिए ।
  2. स्पिन-कास्ट २०० µ एल के तैयार ५० एनएम-के लिए ५,००० आरपीएम पर tio2 nanoparticle पेस्ट समाधान सी-tio2-लेपित FTO सब्सट्रेट पर 30 एस के लिए आकार ।
  3. थर्मल-1 घंटे के लिए ५०० ° c में एक ओवन में परिणामी सब्सट्रेट और फिर उन्हें कमरे के तापमान को शांत करने के लिए अनुमति देते हैं ।
  4. 30 मिनट के लिए ७० डिग्री सेल्सियस पर ०.१२ मीटर TiCl4 जलीय समाधान में सब्सट्रेट सोख और फिर उन्हें पूरी तरह से किसी भी अवशिष्ट TiCl4को दूर करने के लिए DI पानी का उपयोग कर धो.
  5. थर्मल-1 घंटे के लिए ५०० ° c में सब्सट्रेट और फिर उंहें एम-TiO2 परत के एक चेहरे के सुधार के लिए कमरे के तापमान को शांत करने की अनुमति । जिसके परिणामस्वरूप सी-tio2-और एम tio2-N में लेपित सब्सट्रेट 2-भरशर्तों तक इस्तेमाल किया ।

4. AgBi2मैं7 तनु फिल्मों का निर्माण

  1. 10 मिनट के लिए एक यूवी ओजोन क्लीनर के साथ ४५ mA/सेमी2 की तीव्रता के साथ एक पराबैंगनी (यूवी) चिराग के तहत नंगे गिलास सब्सट्रेट उपचार सुनिश्चित करें कि सब्सट्रेट साफ और हाइड्रोफिलिक हैं । सी और एम-TiO2-लेपित FTO सब्सट्रेट यूवी ओजोन क्लीनर के साथ इलाज नहीं है ।
    नोट: एक्स-रे विवर्तन (XRD), अवशोषण, और रूपान्तर-रूपांतरण अवरक्त (FT-IR) स्पेक्ट्रा एजी-द्वि-मैं पतली नंगे कांच सब्सट्रेट पर गढ़े फिल्मों का उपयोग कर जांच की गई । सी और एम TiO2-लेपित FTO सब्सट्रेट सौर सेल उपकरणों के लिए इस्तेमाल किया गया ।
  2. जोरदार भंवर ०.३ बीि के जी3 (०.५०८७ mmol), ०.०६ आगि के जी (०.२५४४ mmol), और n के 3 मिलीलीटर-butylamine जब तक सब कुछ पूरी तरह से भंग कर दिया है और फिर सिरिंज फिल्टर एक ०.२ µm का उपयोग कर मिश्रण-ताकना-आकार polytetrafluoroethylene (PTFE) फिल्टर ।
  3. ड्रॉप २०० µ के अग्रदूत समाधान के एल पर सब्सट्रेट और फिर स्पिन-20% से नीचे एक नियंत्रित आर्द्रता के साथ 30 एस के लिए ६,००० rpm पर उंहें डाली । तुरंत परिणामी पीले-लाल फिल्म को एक एन2-भरा दस्ताने बॉक्स थर्मल एनीलिंग के लिए तैयार करने के लिए स्थानांतरण ।
  4. कमरे के तापमान पर आने वाली फिल्म के थर्मल एनीलिंग शुरू, तो १५० डिग्री सेल्सियस के लिए फिल्म गर्मी, और 30 मिनट के लिए १५० डिग्री सेल्सियस का तापमान बनाए रखने के । जल्दी से कमरे के तापमान के लिए annealed फिल्म बुझाने । अंतिम फिल्म में एक चमकदार और भूरा-काला रंग होगा । जल्दी से annealed सब्सट्रेट बुझाने के लिए, यह गर्म थाली जो १५० डिग्री सेल्सियस के लिए सेट किया गया था से हटा दें ।
  5. के लिए एजी-द्वि-मैं ऐसे एजी2बीि5के रूप में एक अलग रचना, की पतली फिल्मों त्रिगुट, आगि के अग्रदूत दाढ़ अनुपात 1:2 से3 बीि के लिए 2:1 को बदलने और n-butylamine विलायक के एक ही मात्रा का उपयोग करें । इसके बाद के संस्करण वर्णित विधि का उपयोग कर परिणामस्वरूप फिल्म ऐनी ।
  6. XRD पैटर्न, एफटी-IR स्पेक्ट्रा, भूतल morphologies, और अवशोषक स्पेक्ट्रा का उपयोग कर तापमान-निर्भर एजी-द्वि-i गठन की जांच करने के लिए, ९०, ११० के थर्मल एनीलिंग तापमान का उपयोग करें, और एजी-द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्मों के लिए १५० ° c ।

5. सौर सेल वसीयतनामा का निर्माण AgBi2मैं7 पतली फिल्मों का उपयोग

  1. AgBi2मैं7 पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में एक छेद परिवहन सामग्री के रूप में पाली (3-hexylthiophene) (P3HT) का प्रयोग करें । जोड़ें 10 chlorobenzene के मिलीलीटर के लिए P3HT के मिलीग्राम और फिर ५० ° c पर 30 मिनट के लिए मिश्रण हलचल जब तक P3HT पूरी तरह से भंग है । ०.२ µm-ताकना-आकार PTFE फ़िल्टर का उपयोग कर फ़िल्टर करें । तैयार करें और एक N2-भरा दस्ताने बॉक्स में P3HT की दुकान ।
  2. ड्रॉप १०० AgBi2मैं7 पतली सी पर गढ़े फिल्मों पर chlorobenzene में भंग P3HT के µ एल-और एम-TiO2-लेपित FTO सब्सट्रेट, और फिर स्पिन-30 एस के लिए ४,००० rpm में एक N2-भरा दस्ताने बॉक्स में सब्सट्रेट कास्ट । थर्मल-P3HT के संरचनात्मक अभिविन्यास के लिए 10 मिनट के लिए १३० ° c पर P3HT फिल्म एनएन ।
  3. AgBi2मैं7 पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में एक शीर्ष धातु संपर्क के रूप में १०० एनएम मोटी सोना (Au) इलेक्ट्रोड जमा करने के लिए ०.५ Å/s और एक बार पैटर्न छाया मुखौटा की एक जमाव दर के साथ एक थर्मल वाष्पर का प्रयोग करें ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

यह बताया गया है कि एजी-द्वि-i त्रिगुट प्रणालियों, जो होनहार अर्धचालक के रूप में माना जाता है, विभिंन रचनाओं में सघन कर रहे हैं, जैसे AgBi2मैं7, AgBiI4, और एजी2बीि510, के अनुसार आगि के दाढ़ अनुपात को बीि3. इससे पहले के अध्ययनों से पता चला है कि थोक एजी-द्वि-I त्रिगुट प्रणालियों की विभिंन रचनाओं के साथ क्रिस्टल रूपों प्रयोगात्मक किया जा सकता है आगि और बीि3 के दाढ़ अनुपात को बदलने और है कि प्रत्येक संरचना एक अलग XRD10पैटर्न है ।

थोक क्रिस्टल के विपरीत, हम समाधान-संसाधित एजी-द्वि-I त्रिगुट पतली फिल्मों, जो optoelectronic उपकरणों में एक सक्रिय परत के रूप में सीधे इस्तेमाल किया जा सकता है विकसित करने की मांग की । इस अध्ययन में, एन butylamine एक विलायक के रूप में एक साथ आगि और बीि3 भंग करने के लिए इस्तेमाल किया गया था और फिर प्रत्येक एजी-द्वि-मैं आगि के एक अलग दाढ़ अनुपात के साथ पतली फिल्म तैयार करने के लिए (1:2, 1:1, और 2:1) । सबसे पहले, हम एक फिल्म (चित्रा 1) पर XRD माप बाहर किया । एजी के लिए XRD पैटर्न द्वि-मैं पतली 1:2 के एक दाढ़ अनुपात (आगि: बीि3) के साथ तैयार फिल्म 2θ में एक चोटी दिखाया ~ ४२ °; यह इंगित करता है कि AgBi2मैं7 एक घन संरचना (अंतरिक्ष समूह Fd3m, एक = बी = सी = १२.२२३ Å) के साथ एक क्रिस्टलीय रचना है । हालांकि, पीक बंटवारे 2θ के क्षेत्र में स्पष्ट था ~ ४२ ° जब आगि के दाढ़ अनुपात: बीि3 1:1 से अधिक है, और 2:1 के एक दाढ़ अनुपात के साथ फिल्म से पता चला कि एजी2बीि5 एक षट्कोण संरचना है (अंतरिक्ष समूह R3m, एक = बी = ४.३५० Å , ग = २०.८२० Å)10,12.

हम भी AgBi2मैं7 और एजी2बीि5 पतली फिल्मों के यूवी की तुलना अवशोषण मापा जो गिलास सब्सट्रेट (चित्रा 2a) पर तैयार थे । एक बार अवशोषण स्पेक्ट्रा सामान्यीकृत थे, AgBi2मैं7 पतली फिल्म अब तरंग दैर्ध्य अवशोषित, अप करने के लिए ~ ७४० एनएम, एजी2बीि5 पतली फिल्म से । चित्रा 2 प्रत्येक फिल्म के शीर्ष दृश्य स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवियों को प्रदर्शित करता है । AgBi2मैं7 पतली फिल्म की सतह आकृति विज्ञान स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है, बड़े अनाज और एक गहरे भूरे रंग (चित्रा 2 बी) के साथ । हालांकि, एजी2बीि5 पतली फिल्म अनाज है, जो अतिरिक्त आगि13,14,15,16से परिणाम पर प्रकाश कणों से पता चलता है, और एक हल्के भूरे रंग ( चित्र 2c). हम, इसलिए, आगे के अध्ययन के लिए AgBi2मैं7 संरचना का उपयोग करने के लिए चुना है, क्योंकि यह पतली फिल्म के लिए अधिक उपयुक्त है-प्रकाश अवशोषण और एजी2बीि से सतह morphologies के मामले में optoelectronics आधारित5 संरचना .

आंकड़ा 3 ए से पता चलता है कि प्रयोगात्मक XRD पैटर्न के समाधान-प्रसंस्कृत AgBi2मैं7 पतली फिल्म की सूचना दी और गणना के साथ संगत है XRD AgBi के पैटर्न2मैं7 क्रिस्टल माध्यमिक के गठन के बिना चरणों. जैसा कि पहले उल्लेख किया है, हम पुष्टि की है कि AgBi2मैं7 तनु फिल्म एक घन संरचना है (अंतरिक्ष समूह Fd3m, एक = बी = सी = १२.२२३ Å) । इसके अतिरिक्त, AgBi2मैं7 फिल्म अत्यधिक आर्द्रता और हवा में कोई संरचनात्मक परिवर्तन के साथ जब 10 डी के लिए हवा में संग्रहित है; यह समझ में आता है के बाद से आगि एक जलीय मध्यम (चित्रा 3बी)13,14,15,16में अत्यधिक स्थिर है ।

चित्रा 4a के लिए XRD पैटर्न की एक श्रृंखला से पता चलता है एजी द्वि-मैं पतली फिल्मों एन2में एनीलिंग तापमान के एक समारोह के रूप में भरा शर्तों । हम पुष्टि की है कि एजी द्वि-मैं घन चरण के रूप में ९० डिग्री सेल्सियस से ऊपर सघन शुरू होता है, के रूप में (१११), (४००), और (४४०) चोटियों 13 °, 29 °, और ४२ °, क्रमशः (यानी, उन पर चित्र 4aमें तारक के लिए इसी) द्वारा दिखाए गए । छोटे कोण क्षेत्रों में XRD चोटियों (2θ < 10 °) तापमान में वृद्धि के रूप में काफी कम है, और अंत में घन चरण diffractions के क्रमिक वृद्धि के साथ १५० डिग्री सेल्सियस पर गायब हो गया; यह इंगित करता है कि AgBi2मैं7 फिल्म घन चरण17में पूरी तरह से सघन था । स्विचेज स्पेक्ट्रा के लिए विस्तार में एजी-द्वि-I प्रणालियों के गठन की जांच करने के लिए मापा गया (चित्रा 4b) । के रूप में तैयार किया और गैर annealed फिल्म एन के लिए स्विचेज संकेत-H खींच दिखाया (३२००-३६०० cm-1), C-h स्ट्रेचिंग (२८५०-२९८० cm-1), और n-h झुकाना (१४५०-१६५० cm-1) जिसके परिणामस्वरूप n-butylamine18. हालांकि के रूप में तैयार की फिल्म ९० डिग्री सेल्सियस पर annealed था, n के उबलते बिंदु-butylamine (७७-७९ ° c), स्विचेज स्पेक्ट्रा अभी भी जुड़े चोटियों दिखाया, हालांकि वे काफी कम थे । यह इंगित करता है कि शेष n-butylamine कमजोर बीि3 और आगि के लिए एक धातु halide-अमीन परिसर के रूप में बाध्य किया गया था, धार द्वारा एजी-द्वि-मैं इमारत ब्लॉकों के गठन को दबा-, शिखर, या चेहरा19साझा । इन स्विचेज संकेतों के रूप में गायब हो तापमान आगे बढ़ा; यह एन-butylamine जो बीि3 और आगि परिसरों के लिए बाध्य किया गया था और जो बारीकी से AgBi2मैं7के क्रिस्टलीकरण से संबंधित है को हटाने के द्वारा समझाया गया है । हमने प्रत्येक तापमान पर एजी-द्वि-I फ़िल्मों annealed के सरफ़ेस morphologies की भी जांच की जैसा कि चित्र 4cमें दिखाया गया है । ११० डिग्री सेल्सियस से ऊपर तापमान बढ़ जाती है के रूप में, एजी-द्वि-I फिल्मों धीरे-धीरे छोटे अनाज के साथ घन चरण में सघन करने के लिए शुरू, और २००-८०० एनएम के आकार के साथ बड़े अनाज सहित घने और समान सतह morphologies के साथ पूरी तरह से सघन क्रिस्टल (यानी, इकाई क्षेत्र प्रति क्रिस्टलीकरण संख्या १५० डिग्री सेल्सियस पर ४.०८ x 108 #/cm2) था ।

हम एनीलिंग तापमान के एक समारोह के रूप में ऑप्टिकल संपत्तियों में परिवर्तन की जांच करने के क्रम में यूवी विज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर एजी-द्वि-मैं पतली फिल्मों के ऑप्टिकल अवशोषण मापा । चित्रा 5 फिल्म के थर्मल एनीलिंग से पहले और बाद में अवशोषण में काफी अंतर से पता चलता है । के रूप में तैयार फिल्म एक पीले रंग दिखाया और एक स्पष्ट और तेज exciton चोटी के साथ एक अवशोषण स्पेक्ट्रम ४७४ एनएम20पर प्रदर्शन किया । फिल्मों के अवशोषण स्पेक्ट्रा नाटकीय रूप से लाल एनीलिंग तापमान में वृद्धि के रूप में स्थानांतरित कर रहे थे और अंत में, हम एक अवशोषण स्पेक्ट्रम दृश्यमान प्रकाश की सीमा में पर्याप्त शोषक प्राप्त (३५०-७४० एनएम) । ऑप्टिकल बैंड गैप (ईजी) के AgBi2मैं7 पतली फिल्म annealed पर १५० ° c समीकरण αhv ~ (एचवी-Eg)1/2का उपयोग कर Tauc भूखंड से प्राप्त किया गया था, जहां α है अवशोषण गुणांक और एचवी फोटॉन ऊर्जा है । यहां Eg को १.८७ eV (figure 5b) की गणना की गई थी । हम भी इस्तेमाल किया यूवी photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (यूपीएस) के साथ वह मैं (२१.२२ eV) एक निर्वहन दीपक से फोटॉन लाइनों फर्मी ऊर्जा की जांच करने के लिए (ईएफ) और व्यापकता बैंड ऊर्जा (ईवी) परिणामी AgBi2के स्तर पर मैं 7 फिल्म (फिगर 5c) । इस यूपीएस माप के लिए, फिल्म एक सोने सब्सट्रेट पर तैयार किया गया था । ईएफ cutoff ऊर्जा का उपयोग निर्धारित किया गया था(ईकटऑफ) के रूप में चित्रा 5c में दिखाया गया है और ५.०५ ev समीकरण का उपयोग कर की गणना की गई: ईएफ = २१.२२ ev (वह मैं)-ecutoff . कम बाध्यकारी-ऊर्जा क्षेत्र में रैखिक एक्सट्रपलेशन ev−ef देता है और इसलिए, ev को ६.२ eV निर्धारित किया गया था । संचालन बैंड ऊर्जा (ईसी) Tauc भूखंड से प्राप्त ऑप्टिकल बैंड अंतर का उपयोग कर मूल्यांकन किया गया था, जो यह संभव AgBi2मैं7 फिल्म के एक योजनाबद्ध ऊर्जा स्तर आरेख आकर्षित करने के लिए, के रूप में चित्रा 5d में दिखाया गया .

Figure 1
चित्रा 1: समाधान के विभिन्न क्रिस्टलीय रचना-प्रसंस्कृत एजी-द्वि-मैं पतली फिल्मों त्रिगुट । इस पैनल के XRD पैटर्न से पता चलता है एजी-द्वि-मैं पतली १५० डिग्री सेल्सियस पर थर्मल एनीलिंग के बाद3 बीि के लिए आगि के विभिंन दाढ़ अनुपात का उपयोग कर निर्मित फिल्मों: (1) 1:2, (2) 1:1, और (3) 2:1 । AgBi2मैं7 और एजी2बीि5 के संदर्भ XRD पैटर्न पीडीएफ कार्ड no. 00-034-1372 और पीडीएफ कार्ड no. 00-035-1025, क्रमशः से प्राप्त किए गए । डैश बॉक्स में एजी-द्वि-I त्रिगुट तनु फिल्मों के विभिंन क्रिस्टलों की पहचान करने के लिए प्रयुक्त मुख्य XRD प्रतिमान इंगित करता है । इस आंकड़े को किम एट अल द्वारा काम से संशोधित किया गया है । 1. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: समाधान प्रसंस्कृत AgBi2मैं7 और एजी2बीि5 पतली फिल्मों की तुलना । (क) इस पैनल AgBi2मैं7 और एजी2बीि5 पतली फिल्मों के सामान्यीकृत यूवी की तुलना अवशोषण स्पेक्ट्रा से पता चलता है । अंय दो पैनलों शीर्ष देख रहे है SEM छवियों की (ख) AgBi2मैं7 और (ग) एजी2बीि5 पतली फिल्मों, अग्रदूतों के विभिंन दाढ़ के अनुपात के साथ कांच सब्सट्रेट पर तैयार आगि बीि3। पैनलों बी और सी में presets के प्रत्येक पतली फिल्म की तस्वीर छवियों को दिखाते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: क्रिस्टल संरचना और समाधान की हवा स्थिरता-प्रसंस्कृत AgBi2मैं7 पतली फिल्मों । (क) यह पैनल एक AgBi2मैं7 तनु फिल्म का प्रायोगिक XRD पीक डाटा दिखाता है । संदर्भ और AgBi2मैं7 के लिए परिकलित XRD डेटा पीडीएफ कार्ड No. 00-034-1372 और कंप्यूटर प्रोग्राम वेस्ता, क्रमशः से प्राप्त कर रहे हैं । (ख) इस पैनल AgBi2मैं7 तनु फिल्मों XRD माप का उपयोग कर की हवा स्थिरता की एक जांच के परिणामों को दर्शाता है । AgBi2मैं7 के XRD पहले मापा गया था और बाद नमूना हवा में 10 डी के लिए संग्रहीत किया गया था । इस आंकड़े को किम एट अल द्वारा काम से संशोधित किया गया है । 1. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: एजी-द्वि के संरचनात्मक परिवर्तन-मैं एक अलग थर्मल एनीलिंग तापमान के साथ पतली फिल्मों त्रिगुट । इन पैनलों शो (क) XRD स्पेक्ट्रा, (ख) स्विचेज स्पेक्ट्रा, और (ग) ऊपर से देखें समाधान के SEM छवियों-प्रसंस्कृत एजी-द्वि-मैं थर्मल एनीलिंग तापमान के एक समारोह के रूप में पतली फिल्मों । एक पैनल में तारक AgBi2मैं7के मुख्य सघन XRD चोटियों संकेत मिलता है । इस आंकड़े को किम एट अल द्वारा काम से संशोधित किया गया है । 1. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: ऑप्टिकल bandgap और AgBi2मैं7 पतली फिल्मों के ऊर्जा बैंड आरेख । ऊपरी दो पैनलों शो (क) यूवी की तुलना स्पेक्ट्रा और (बी) एजी-द्वि के Tauc भूखंड-मैं एक अलग एनीलिंग तापमान के साथ पतली फिल्मों त्रिगुट । (ग) यह पैनल १५० डिग्री सेल्सियस पर एक AgBi2मैं7 तनु फिल्म annealed के एक उच्च बाध्यकारी-ऊर्जा क्षेत्र में यूपीएस डेटा दिखाता है । (घ) यह एक AgBi2मैं7 तनु फिल्म Tauc साजिश और यूपीएस का उपयोग कर की गणना की एक ऊर्जा बैंड आरेख का प्रतिनिधित्व है । इस आंकड़े को किम एट अल द्वारा काम से संशोधित किया गया है । 1. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

हम एजी द्वि-मैं त्रिगुट अर्धचालक, जो सीसा mesoscopic डिवाइस आर्किटेक्चर के साथ पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में मुक्त फोटोवोल्टिक अवशोषक के रूप में शोषण किया जा रहे है के समाधान के निर्माण के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान की है । सी-TiO2 परतों FTO सब्सट्रेट पर गठन के लिए FTO इलेक्ट्रोड में बह इलेक्ट्रॉन रिसाव से बचने के थे । एम-tio2 परतों क्रमिक रूप से सी पर गठित-tio2-लेपित FTO सब्सट्रेट फोटोवोल्टिक अवशोषक (यानी, एजी-द्वि-मैं पतली फिल्मों से उत्पंन इलेक्ट्रॉन निकालने में सुधार कर रहे थे) । दोनों सी-tio 2 और एम-tio2 TiCl4 जलीय समाधान के साथ इलाज किया गया ताकि tio2 सतह जाल passivate के लिए; यह प्रत्येक TiO2 परत के चेहरे के सुधार की ओर जाता है । एजी द्वि-I के प्रणेता समाधान स्पिन-20% से नीचे बनाए रखा आर्द्रता के साथ लेपित था; यह था क्योंकि butylamine विलायक एक कम उबलते बिंदु है और अत्यधिक हवा में नमी के साथ प्रतिक्रियाशील है, जो दृढ़ता से सतह आकृति विज्ञान को प्रभावित कर सकता है । परिणामी पीले-लाल पतली फिल्मों में थर्मल-annealed एन2-भरे दस्ताने बॉक्स में थे ताकि AgBi2मैं7के परिणामी काले-भूरे और चमकदार पतली फिल्मों को प्राप्त किया जा सके । जब परिवेश स्थितियों में annealed, एजी-द्वि-मैं पतली फिल्मों लाल रंग और धुंधला morphologies, विस्मुट आयोडाइड के ऑक्सीकरण से उत्पंन दिखाया । डिवाइस निर्माण को पूरा करने के लिए, P3HT AgBi2मैं7 पतली फिल्मों, एक सोने के बाद (Au) बयान, एक छेद के रूप में कार्य करने के लिए स्पिन पर डाली थी-परिवहन परत और शीर्ष इलेक्ट्रोड, क्रमशः ।

के रूप में चित्र 1 और 2 चित्रा, एजी द्वि-मैं त्रिगुट प्रणालियों में दिखाया विभिंन रचनाओं में सघन थे, जैसे AgBi2मैं7 और एजी2बीि5के रूप में, आगि और बीि3के विभिंन अग्रदूत अनुपात के अनुसार । थर्मल एनीलिंग शर्तों के अवशोषण, अनाज आकार, और के रूप में तैयार एजी-द्वि मैं पतली फिल्मों की सतह आकृति विज्ञान प्रभावित करते हैं । एजी पर पिछले अध्ययन-द्वि-मैं त्रिगुट संश्लेषण और थोक क्रिस्टल के विश्लेषण पर ध्यान केंद्रित प्रणालियों; हालांकि, हम पहली बार है कि AgBi2मैं7 पतली फिल्मों के लिए सूचना दी है एक स्पिन-कोटिंग आधारित समाधान प्रक्रिया का उपयोग कर तैयार किया जा सकता है और फिर एक नेतृत्व मुक्त सौर सेल अवशोषक11के रूप में सफलतापूर्वक इस्तेमाल किया । हाल ही में, कई शोधकर्ताओं ने इस काम का पालन किया है ताकि सामग्री की गुणवत्ता ही विकसित करने के लिए, साथ ही साथ सौर सेल प्रदर्शन21,22।

वहां अभी भी समाधान के आगे विकास के लिए कमरे-प्रसंस्कृत एजी द्वि-मैं सामग्री की गुणवत्ता और उपकरण वास्तुकला इंजीनियरिंग के मामले में पतली फिल्म सौर कोशिकाओं त्रिगुट है । कई एजी-द्वि-i त्रिगुट सामग्री से संबंधित कागजात हाल ही में सहकर्मी की समीक्षा की पत्रिकाओं में प्रकाशित किया गया है और, इसलिए, हमें विश्वास है कि आगे अनुसंधान में एजी द्वि-मैं त्रिगुट प्रणालियों समाधान के क्षेत्र में महान प्रगति कर देगा-प्रसंस्कृत और पर्यावरण के अनुकूल पतली फिल्म सौर कोशिकाओं ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को डेगू Gyeongbuk इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस ऐंड टेक्नोलॉजी (DGIST) रिसर्च ऐंड डिवेलपमेंट (आर एंड डी) प्रोग्राम ऑफ साइंस, आईसीटी और फ्यूचर प्लानिंग ऑफ कोरिया (18-एट-01) के सहयोग से किया गया । इस काम के लिए कोरिया गणराज्य के ऊर्जा प्रौद्योगिकी मूल्यांकन और नियोजन (KETEP) और व्यापार, उद्योग एवं ऊर्जा मंत्रालय ((सं. २०१७३०१००१३२००) गणतंत्र के (मोती) का समर्थन भी किया गया था ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis) Afa Aesar 7787-64-6 stored in N2-filled condition
Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis) Afa Aesar 7783-96-2 stored in N2-filled condition
Butylamine 99.5% Sigma-Aldrich 109-73-9
Triton X-100 Sigma-Aldrich 9002-93-1
Isopropyl alcohol (IPA) Duksan 67-63-0 Electric High Purity GRADE
Titanium(IV) isopropoxide Sigma-Aldrich 546-68-9 ≥97.0%
Ethyl alcohol Sigma-Aldrich 64-17-5 200 proof, ACS reagent, ≥99.5%
Hydrochloric acid SAMCHUN 7647-01-0 Extra pure
Titanium tetrachloride (TiCl4) sharechem
50nm-sized TiO2 nanoparticle paste sharechem
2-propanol Sigma-Aldrich 67-63-0 anhydrous, 99.5%
Terpineol Merck 8000-41-7
Heating oven WiseTherm
Oxygen (O2) plasma AHTECH
X-ray diffraction (XRD) Rigaku Rigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-Kα radiation
(1.5406 Å wavelength).
Fourier transform infrared (FTIR) Bruker Bruker Tensor 27
field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) Hitachi Hitachi SU8230
UV-Vis spectra PerkinElmer PerkinElmer LAMBDA 950
Spectrophotometer
Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) RBD Instruments PHI5500 Multi-Technique system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Grätzel, M. The Light and Shade of Perovskite Solar Cells. Nature Materials. 13, 838-842 (2014).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).
  3. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  4. Burschka, J., et al. Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells. Nature. 499, 316-319 (2013).
  5. Yang, W. S., et al. Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
  6. Park, B. -W., et al. Bismuth Based Hybrid Perovskites A3Bi2I9 (A: Methylammonium or Cesium) for Solar Cell Application. Advanced Materials. 27 (43), 6806 (2015).
  7. Hoye, R. L. Z., et al. Methylammonium Bismuth Iodide as a Lead-Free, Stable Hybrid Organic-Inorganic Solar Absorber. Chemistry−European Journal. 22 (8), 2605-2610 (2016).
  8. Lyu, M., et al. Organic-Inorganic Bismuth (III)-Based Material: A Lead-Free, Air-Stable and Solution-Processable Light-Absorber beyond Organolead Perovskites. Nano Research. 9 (3), 692-702 (2016).
  9. Mitzi, D. B. Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer. Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).
  10. Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. B. Experimental Investigation of the Ag-Bi-I Ternary System and Thermodynamic Properties of the Ternary Phases. Journal of Alloys and Compounds. 551, 512-520 (2013).
  11. Kim, Y., et al. Pure Cubic-Phase Hybrid Iodobismuthates AgBi2I7 for Thin-Film Photovoltaics. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9586-9590 (2016).
  12. Fourcroy, P. H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., Céolin, R. Etude du Systeme AgIBiI3. Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).
  13. Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films. Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).
  14. Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. S. On the Formation Mechanism of γ-AgI Thin Films. Thin Solid Films. 357 (2), 111-118 (1999).
  15. Validźić, I. L., Jokanpvić, V., Uskoković, D. P., Nedeljković, J. M. Influence of Solvent on the Structural and Morphological Properties of AgI Particles Prepared Using Ultrasonic Spray Pyrolysis. Materials Chemistry and Physics. 107 (1), 28-32 (2008).
  16. Tezel, F. M., Kariper, İA. Effect of pH on Optic and Structural Characterization of Chemical Deposited AgI Thin Films. Materials Research Ibero-American Journal of Materials. 20 (6), 1563-1570 (2017).
  17. Chai, W. -X., Wu, L. -M., Li, J. -Q., Chen, L. A Series of New Copper Iodobismuthates: Structural Relationships, Optical Band Gaps Affected by Dimensionality, and Distinct Thermal Stabilities. Inorganic Chemistry. 46 (21), 8698-8704 (2007).
  18. Konstantatos, G., et al. Ultrasensitive Solution-Cast Quantum Dot Photodetectors. Nature. 442, 180-183 (2006).
  19. Mercier, N., Louvaina, N., Bi, W. Structural Diversity and Retro-Crystal Engineering Analysis of Iodometalate Hybrids. CrystEngComm. 11 (5), 720-734 (2009).
  20. Zhu, X. H., et al. Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2'-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates. Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).
  21. Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide. ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).
  22. Turkevych, I., et al. Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites. ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).

Tags

रसायन विज्ञान अंक १३९ विस्मुट आयोडाइड रजत आयोडाइड एजी-द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्म समाधान प्रक्रिया गैर विषैले अर्धचालक फोटोवोल्टिक अवशोषक
समाधान-प्रसंस्कृत "सिल्वर-विस्मुट-आयोडीन" सीसा-मुक्त फोटोवोल्टिक अवशोषक के लिए त्रिगुट पतली फिल्मों
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Oh, J. T., Kim, D. H., Kim, Y.… More

Oh, J. T., Kim, D. H., Kim, Y. Solution-Processed "Silver-Bismuth-Iodine" Ternary Thin Films for Lead-Free Photovoltaic Absorbers. J. Vis. Exp. (139), e58286, doi:10.3791/58286 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter